[科普中國]-全息攝影測量

基本概念

全息攝影測量是利用一定方向的激光光束投射到全息圖上，獲取原物體三維結(jié)構(gòu)圖像的攝影測量，是一種不用透鏡而能記錄和再現(xiàn)物體的三維(立體)圖象的攝影方法。它是能夠把來自物體的光波波陣面的振幅和相位的信息記錄下來，又能在需要時再現(xiàn)出這種光波的一種技術(shù)1。

原理及步驟光波是一種電磁波，它在傳插中帶有振幅和相位的信息。普通照相是用感光材料(如照相底片)作記錄介質(zhì)，用透鏡成象系統(tǒng)（如照相機）使物體在感光材料上成象。它所記錄的只是來自物體的光波的強度分布圖象，即振幅的信息，而不包括相位的信息。因此普通照相只能攝取二維(平面)圖象。為要同時記錄光波的振幅和相位的信息，可借助于一束相干的參考光，利用物光和參考光的光程差，以確定兩束光波之間的相位差。因此借助參考光,便可記錄來自物體的光波的振幅和相位的信息2。

照明物體的反射光波承載著物體形態(tài)的信息傳播。用記錄介質(zhì)把攜帶信息的光波波前記錄下來，將可在另一時間和場所，采用適當方法把波前再現(xiàn)出來。它繼續(xù)傳播仍可產(chǎn)生可觀察的物體的三維像。光波傳遞信息，構(gòu)成物體的像的過程被分為：波前記錄和波前再現(xiàn)兩步。它是一種兩步無透鏡成像方法。以離軸全息圖為例說明波前記錄和再現(xiàn)的過程。

波前記錄所有的記錄介質(zhì)都只對光強有響應(yīng)，不能記錄波前攜帶的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都儲存在記錄介質(zhì)中。暗室中高度相干的激光光束被分成兩部分：一束光照明物體，經(jīng)物體反射、散射或衍射，作為物光（紅線）投射到照相干板上；另一束光作為參考光（綠線）照明照相干板。兩束光相互干涉。照相干板經(jīng)曝光、顯影處理就得到全息圖。干涉條紋的襯度和形狀（或位置）信息中分別包含有物光波前振幅和位相的信息。

波前再現(xiàn)波前記錄的結(jié)果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖。全息圖上細密的干涉條紋圖樣，如同復(fù)雜的衍射光柵，只是光柵條紋的方向和間距可能隨位置變化。用均勻的激光光束照明全息圖，一部分光直接透過。對于離軸全息圖，有另外兩束衍射光波向不同方向傳播，可看作±1級衍射光。其中一束衍射光波傳播到觀察者眼睛里，和真實物體發(fā)出的光波作用完全相同，實現(xiàn)了波前再現(xiàn)。盡管物體已經(jīng)移開，仍可看到原始物體的虛像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共軛波，傳播形成物體的實像（共軛像），看到的像和原物體凸凹相反。由于再現(xiàn)的光波前攜帶有物波的振幅和位相信息，再現(xiàn)的像顯示出物體的三維特性，具有視差效應(yīng)。適當選擇記錄時參考光的傾斜角度，可使直接透射光以及產(chǎn)生孿生像的兩束衍射光傳播時分離開，互不干擾。

全息攝影測量要求拍攝系統(tǒng)必須具備以下要求：

（1）光源必須是相干光源：通過前面分析知道，全息照相是根據(jù)光的干涉原理，所以要求光源必須具有很好的相干性。激光的出現(xiàn)，為全息照相提供了一個理想的光源。這是因為激光具有很好的空間相干性和時間相干性，實驗中采用He-Ne激光器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖。

（2）全息照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性：由于全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細又密的干涉條紋，所以在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無法記錄。比如，拍攝過程中若底片位移一個微米，則條紋就分辨不清，為此，要求全息實驗臺是防震的。全息臺上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺面鋼板上。另外，氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會引起周圍空氣密度的變化。因此，在曝光時應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動，保證整個實驗室絕對安靜。我們的經(jīng)驗是，各組都調(diào)好光路后，同學(xué)們離開實驗臺，穩(wěn)定一分鐘后，再在同一時間內(nèi)曝光，得到較好的效果。

（3）物光與參考光應(yīng)滿足：物光和參考光的光程差應(yīng)盡量小，兩束光的光程相等最好，最多不能超過2cm，調(diào)光路時用細繩量好；兩束光之間的夾角要在30°～60°之間，最好在45°左右，因為夾角小，干涉條紋就稀，這樣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和感光材料分辨率的要求較低；兩束光的光強比要適當，一般要求在1：1~1：10之間都可以，光強比用硅光電池測出。

（4）使用高分辨率的全息底片：因為全息照相底片上記錄的是又細又密的干涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50~100個條紋，天津感光膠片廠生產(chǎn)的I型全息干板，其分辨率可達每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。

（5）全息照片的沖洗過程：沖洗過程也是很關(guān)鍵的。我們按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配制，但實驗證明，用純凈的自來水配制，也獲得成功。沖洗過程要在暗室進行，藥液千萬不能見光，保持在室溫20℃在右進行沖洗，配制一次藥液保管得當可使用一個月左右。

應(yīng)用全息攝影測量可通過變焦，測量焦距計算物體實際尺寸；根據(jù)三維背影將物體立體化，取物體全息數(shù)據(jù)；用探測器，如金屬探測，遠紅外探測，分析物體材質(zhì)屬性，再收集物體表面紫外線反射波，判斷物體色彩；將收集數(shù)據(jù)進行分析，即模擬人腦探測原理；通過體積測量、外形測量、組件材質(zhì)探測、特征識別、生物信息收集等進行數(shù)據(jù)分析3。